CN110457637A - 一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，包括以下步骤：基于预设的t＝t₀时刻定子侧发生三相短路故障，定子侧电压由U_s0瞬间跌落到(1‑K_d)U_s0，分析空间旋转坐标系下的双馈风力发电机数学模型及其故障后的暂态特性，其中，K_d为定子侧电压跌落系数；确定Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据，并分析故障不同严重程度时的保护动作情况；根据协调控制下保护动作的不同情况，确定相应的双馈电机短路电流计算公式。本发明计及故障不同严重程度下，保护动作的差异及其对短路电流的计算的影响，提高了计算精度。

Description

一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电 流计算方法

技术领域

本发明涉及一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，属于风电场安全性领域。

背景技术

为了提高双馈风力发电机组的低电压穿越能力，大多数的风电机组都采用了Crowbar(撬棒)保护或者Chopper(直流卸荷)保护的措施，用来释放过大的暂态冲击能量，保障变流器的安全和风电机组的稳定并网运行。采用Crowbar和Chopper保护必然会对短路电流产生抑制，使短路电流的实际值低于设计时作为选用电气设备标准的计算值，这样就造成了不必要的经济投入。因此目前需要一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制情况下，能较为准确的计算出短路电流的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，计及故障不同严重程度下，保护动作的差异及其对短路电流的计算的影响，提高了计算精度。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

本发明的一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，包括以下步骤：

(1)基于预设的t＝t₀时刻定子侧发生三相短路故障，定子侧电压由U_s0瞬间跌落到(1-K_d)U_s0，确定空间旋转坐标系下的双馈风力发电机数学模型及其故障后的暂态特性，其中，K_d为机端电压跌落系数，U_s0为故障前机端电压幅值；

(2)确定Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据，并分析故障不同严重程度时的保护动作情况；

(3)根据协调控制下保护动作的不同情况，确定相应的双馈电机短路电流计算公式。

确定Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据，具体步骤如下：

系统稳定运行时，假设机端电压为U_N；短路故障发生后，机端电压由U_s0跌落至U_s1，U_s1＝(1-K_d)U_s0，将故障后的机端电压跌落系数K_d作为Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据。

分析故障不同严重程度时的保护动作情况具体步骤如下：

即若存在U_N>U_s1>U₁，U₁＝(1-K_d1)U_s0为Chopper保护动作时的机端电压临界值，则Crowbar和Chopper保护均不动作；K_d1为Chopper保护动作时的机端电压跌落系数临界值；

若U₁≥U_s1>U₂，U₂＝(1-K_d2)U_s0为Crowbar保护动作时的机端电压临界值，则Chopper保护动作，而Crowbar保护不动作；K_d2为Crowbar保护动作时的机端电压跌落系数临界值；

若U₂≥U_s1≥0，则Crowbar保护投入，此时Chopper保护不动作。

故障后机端电压存在U_N>U_s1>U₁，K_d>K_d1时，所述双馈电机短路电流计算公式的确定方法如下：

其中，t为时间，T_s和T_r分别为定子和转子回路暂态时间常数，T_s＝L_s’/R_s、T_r＝L_r’/R_r；A_sa、B_sa、C_sa分别为各频率分量系数，

I_s0为故障后定子电流初值，R_s为定子侧电阻，i_s为定子侧电流，ω_s为同步角速度，ω_p为转差角速度，L_m为激磁电感，ψ_s为定子侧磁链，R_r为转子侧电阻，i_r为转子侧电流，ψ_r为定子侧磁链，L_s和L_r分别为定子自感和转子自感，L_s＝L_sσ+L_m，L_r＝L_rσ+L_m，L_sσ和L_rσ分别为定子漏感和转子漏感，L_s’和L_r’分别代表定子绕组暂态电感和转子绕组暂态电感，并且L_s’＝L_s-L_m ²/L_r、L_r’＝L_r-L_m ²/L_s，k_r为转子电感耦合系数，k_r＝L_m/L_r，k_s为定子电感耦合系数，k_s＝L_m/L_s；

故障后机端电压存在U₁≥U_s1>U₂，K_d1≥K_d>K_d2时，所述双馈电机短路电流计算公式的确定方法如下：

其中，T_r’为转子回路暂态时间常数，T_r’＝L’_r/(R_r+R_ch)；A_sa1、B_sa1、C_sa1分别为Chopper保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

Z_ch为Chopper保护和直流母线电容的等效阻抗，Z_ch＝R_ch//jω_rC_ch≈R_ch-jω_rR_ch ²C_ch，R_ch为Chopper保护电阻，C_ch为直流母线电容，Z_r为转子暂态等值阻抗，R＝R_r+R_ch；ω_r′为转子暂态角速度，

故障后机端电压存在U₂≥U_s1≥0，K_d2≥K_d时，所述双馈电机短路电流计算公式的确定方法如下：

其中，T_r”为转子回路暂态时间常数，T_r”＝L’_r/(R_r+R_cb)；A_sa2、B_sa2、C_sa2分别为Crowbar保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

R₁为Crowbar保护等效阻抗，R＝R_r+R_cb，R_cb为Crowbar保护电阻。

本发明的一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，与现有双馈风力发电机组短路电流计算方法相比，该方法计及故障不同严重程度下，保护动作的差异及其对短路电流的计算的影响，更加精确的表达了双馈电机的短路电流暂态特性，提高了计算精度，对于电气设备的精确选材以及确保风电场的安全性有着重大意义。

附图说明

图1为双馈风力发电机数学模型的等效电路图；

图2为机端电压动作判据示意图；

图3为本发明保护未投入时的双馈风力发电机暂态等值电路图；

图4为本发明Chopper保护投入时的双馈风力发电机暂态等值电路图；

图5为本发明Crowbar保护投入时的双馈风力发电机暂态等值电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，包括以下步骤：

步骤1，假设当t＝t₀时刻定子侧发生了三相短路故障，定子侧电压由U_s0瞬间跌落到(1-K_d)U_s0，分析空间旋转坐标系下的双馈风力发电机数学模型及其故障后的暂态特性，其中K_d为定子侧电压跌落系数；

参见图1，双馈风力发电机数学模型的等效电路图如下：

经典电压磁链方程为：

由此方程组可推导出Chopper保护未投入时的双馈电机转子电压表达式，空间旋转坐标系下的双馈风力发电机数学模型及其故障后的暂态特性的确定为现有技术，此处不再赘述。

步骤2，建立Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据，并分析故障不同严重程度时的保护动作情况：

参见图2，系统稳定运行时，机端电压为U_N。短路故障发生后，机端电压跌落至U_s1，U_s1＝(1-K_d)U_s0，将故障后的机端电压跌落系数K_d作为Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据，即若存在U_N>U_s1>U₁，U₁＝(1-K_d1)U_s0为Chopper保护动作时的机端电压跌落系数临界值，则Crowbar和Chopper保护均不动作；若U₁≥U_s1>U₂，U₂＝(1-K_d2)U_s0为Crowbar保护动作时的机端电压跌落系数临界值，则Chopper保护动作，而Crowbar保护不动作；若U₂≥U_s1≥0，则Crowbar保护投入，此时Chopper保护不动作。

步骤3，根据协调控制下保护动作的不同情况，推导相应的双馈电机短路电流计算公式：

(1)当故障后机端电压存在U_N>U_s1>U₁，即K_d>K_d1时，双馈风力发电机组A相短路电流为：

其中，T_s和T_r分别为定子和转子回路暂态时间常数，T_s＝L_s’/R_s、T_r＝L_r’/R_r；A_sa、B_sa、C_sa分别为各频率分量系数，

R_s为定子侧电阻，i_s为定子侧电流，ω_s为同步角速度，ω_p为转差角速度，L_m为激磁电感，ψ_s为定子侧磁链，R_r为转子侧电阻，i_r为转子侧电流，ψ_r为定子侧磁链，L_s和L_r分别为定子自感和转子自感，L_s＝L_sσ+L_m，L_r＝L_rσ+L_m，L_sσ和L_rσ分别为定子漏感和转子漏感，L_s’和L_r’分别代表定子绕组暂态电感和转子绕组暂态电感，并且L_s’＝L_s-L_m ²/L_r、L_r’＝L_r-L_m ²/L_s，k_r为转子电感耦合系数，k_r＝L_m/L_r，k_s为定子电感耦合系数，k_s＝L_m/L_s。K_d为定子侧电压跌落系数。

(2)当故障后机端电压存在U₁≥U_s1>U₂，即K_d1≥K_d>K_d2时，双馈风力发电机组A相短路电流为：

其中，T_r’为转子回路暂态时间常数，T_r’＝L’_r/(R_r+R_ch)；A_sa1、B_sa1、C_sa1分别为Chopper保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

Z_ch为Chopper保护和直流母线电容的等效阻抗，Z_ch＝R_ch//jω_rC_ch≈R_ch-jω_rR_ch ²C_ch，R_ch为Chopper保护电阻，C_ch为直流母线电容，Z_r为转子暂态等值阻抗，R＝R_r+R_ch；ω_r′为转子暂态角速度，

(3)当故障后机端电压存在U₂≥U_s1≥0，即K_d2≥K_d时，双馈风力发电机组A相短路电流为：

其中，T_r”为转子回路暂态时间常数，T_r”＝L’_r/(R_r+R_cb)；A_sa2、B_sa2、C_sa2分别为Crowbar保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

R₁为Crowbar保护等效阻抗，R＝R_r+R_cb，R_cb为Crowbar保护电阻。

图3为本发明保护未投入时的双馈风力发电机暂态等值电路图，即当短路故障不严重时，机端电压跌落较浅，存在U_N>U_s1>U₁，U₁＝(1-K_d1)U_s0为Chopper保护动作时的机端电压临界值，Crowbar和Chopper保护均不动作，此时双馈风力发电机的暂态等值电路如图3所示；

图4为本发明Chopper保护投入时的双馈风力发电机暂态等值电路图，即当短路故障较严重时，机端电压跌落较深，存在U₁≥U_s1>U₂，U₂＝(1-K_d2)U_s0为Crowbar保护动作时的机端电压临界值，Chopper保护动作，而Crowbar保护不动作，此时双馈风力发电机的暂态等值电路如图4所示；

图5为本发明Crowbar保护投入时的双馈风力发电机暂态等值电路图，即当短路故障很严重时，机端电压跌落很深，存在U₂≥U_s1≥0，Crowbar保护投入，Chopper保护不动作，此时双馈风力发电机的暂态等值电路如图5所示.

上述方法在计算双馈电机短路电流时，计及了故障不同严重程度下，保护动作的差异及其对短路电流的计算的影响，更加精确的表达了双馈电机的短路电流暂态特性。与现有计算公式相比，提高了计算精度，对于电气设备的精确选材以及确保风电场的安全性有着重大意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于预设的t＝t₀时刻定子侧发生三相短路故障，定子侧电压由U_s0瞬间跌落到(1-K_d)U_s0，确定空间旋转坐标系下的双馈风力发电机数学模型及其故障后的暂态特性，其中，K_d为机端电压跌落系数，U_s0为故障前机端电压幅值；

(2)确定Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据，并分析故障不同严重程度时的保护动作情况；

(3)根据协调控制下保护动作的不同情况，确定相应的双馈电机短路电流计算公式。

2.根据权利要求1所述的一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，其特征在于，确定Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据，具体步骤如下：

系统稳定运行时，假设机端电压为U_N；短路故障发生后，机端电压由U_s0跌落至U_s1，U_s1＝(1-K_d)U_s0，将故障后的机端电压跌落系数K_d作为Crowbar和Chopper保护协调控制下统一的保护动作判据。

3.根据权利要求2所述的一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，其特征在于，分析故障不同严重程度时的保护动作情况具体步骤如下：

即若存在U_N>U_s1>U₁，U₁＝(1-K_d1)U_s0为Chopper保护动作时的机端电压临界值，则Crowbar和Chopper保护均不动作；K_d1为Chopper保护动作时的机端电压跌落系数临界值；

若U₁≥U_s1>U₂，U₂＝(1-K_d2)U_s0为Crowbar保护动作时的机端电压临界值，则Chopper保护动作，而Crowbar保护不动作；K_d2为Crowbar保护动作时的机端电压跌落系数临界值；

若U₂≥U_s1≥0，则Crowbar保护投入，此时Chopper保护不动作。

4.根据权利要求3所述的一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，其特征在于，故障后机端电压存在U_N>U_s1>U₁，K_d>K_d1时，所述双馈电机短路电流计算公式的确定方法如下：

其中，t为时间，T_s和T_r分别为定子和转子回路暂态时间常数，T_s＝L_s’/R_s、T_r＝L_r’/R_r；A_sa、B_sa、C_sa分别为各频率分量系数，

I_s0为故障后定子电流初值，R_s为定子侧电阻，i_s为定子侧电流，ω_s为同步角速度，ω_p为转差角速度，L_m为激磁电感，ψ_s为定子侧磁链，R_r为转子侧电阻，i_r为转子侧电流，ψ_r为定子侧磁链，L_s和L_r分别为定子自感和转子自感，L_s＝L_sσ+L_m，L_r＝L_rσ+L_m，L_sσ和L_rσ分别为定子漏感和转子漏感，L_s’和L_r’分别代表定子绕组暂态电感和转子绕组暂态电感，并且L_s’＝L_s-L_m ²/L_r、L_r’＝L_r-L_m ²/L_s，k_r为转子电感耦合系数，k_r＝L_m/L_r，k_s为定子电感耦合系数，k_s＝L_m/L_s。

5.根据权利要求4所述的一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，其特征在于，故障后机端电压存在U₁≥U_s1>U₂，K_d1≥K_d>K_d2时，所述双馈电机短路电流计算公式的确定方法如下：

其中，T_r’为转子回路暂态时间常数，T_r’＝L’_r/(R_r+R_ch)；A_sa1、B_sa1、C_sa1分别为Chopper保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

Z_ch为Chopper保护和直流母线电容的等效阻抗，Z_ch＝R_ch//jω_rC_ch≈R_ch-jω_rR_ch ²C_ch，R_ch为Chopper保护电阻，C_ch为直流母线电容，Z_r为转子暂态等值阻抗，R＝R_r+R_ch；ω_r′为转子暂态角速度，

6.根据权利要求5所述的一种考虑Crowbar和Chopper保护协调控制的双馈电机短路电流计算方法，其特征在于，故障后机端电压存在U₂≥U_s1≥0，K_d2≥K_d时，所述双馈电机短路电流计算公式的确定方法如下：

其中，T_r”为转子回路暂态时间常数，T_r”＝L’_r/(R_r+R_cb)；A_sa2、B_sa2、C_sa2分别为Crowbar保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

R₁为Crowbar保护等效阻抗，R＝R_r+R_cb，R_cb为Crowbar保护电阻。